华北电力大学-核反应堆物理分析-第2章-中子慢化和慢化能谱ppt课件.ppt

采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物1中子慢化及慢化能谱中子慢化及慢化能谱主讲：马续波主讲：马续波采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物2Contents中子能谱的概念中子能谱的概念中子的弹性散射过程中子的弹性散射过程无限均匀介质内中子的慢化能谱无限均匀介质内中子的慢化能谱热中子能谱和热中子平均截面热中子能谱和热中子平均截面采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物31. 1. 引言引言 堆内核燃料的裂变不断产生快中子，快中子经与堆内核燃料的裂变不断产生快中子，快中子经与慢化剂核的碰撞散射，逐步慢化为热中子。因此慢化剂核的碰撞散射，逐步慢化为热中子。因此堆内中子有着不同的能量。欲知堆内各种能量的堆内中子有着不同的能量。欲知堆内各种能量的中子各占多少份额，就需了解中子各占多少份额，就需了解堆内中子按能量分堆内中子按能量分布的规律布的规律。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物4 中子数按能量的分布中子数按能量的分布 n(E) n(E) 称为中子能谱。称为中子能谱。在反应堆物理中习惯把中子通量密度按能量的分在反应堆物理中习惯把中子通量密度按能量的分布布 (E)(E)称为称为中子能谱中子能谱。2.2.中子能谱（中子能谱（Neutron spectrumNeutron spectrum）的定义：）的定义：采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物5我们把反应堆内的中子能量分为高能、中能和低我们把反应堆内的中子能量分为高能、中能和低能三个区。已知：能三个区。已知：F高能区的中子能谱可以用高能区的中子能谱可以用裂变譜裂变譜来近似表示；来近似表示；F低能区的热中子的可以用低能区的热中子的可以用麦克斯韦谱麦克斯韦谱近似表示近似表示; ;F中间能区的中子能谱是怎样的？中间能区的中子能谱是怎样的？ 通过研究中子慢化，可以得到中间能区的中子能通过研究中子慢化，可以得到中间能区的中子能谱。谱。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物6裂变譜采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物7Maxwell 譜3222 ( ) ()EkTnEE emkT采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物8在快中子反应堆中，没有慢化剂，中子通过与燃在快中子反应堆中，没有慢化剂，中子通过与燃料及结构材料的非弹性散射，得到料及结构材料的非弹性散射，得到一定程度一定程度的慢的慢化。例如，化。例如，10MeV10MeV的中子与的中子与U238U238发生非弹性散射，发生非弹性散射，平均要损失平均要损失8.68MeV8.68MeV的能量。的能量。在热中子反应堆里，有专门的慢化剂。快中子在热中子反应堆里，有专门的慢化剂。快中子主主要要通过与慢化剂的弹性散射，逐渐慢化成热中子。通过与慢化剂的弹性散射，逐渐慢化成热中子。快中子反应堆的中子能谱要比热中子反应堆硬得快中子反应堆的中子能谱要比热中子反应堆硬得多。3. 3. 热堆与快堆的能热堆与快堆的能谱谱采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物9快堆和热堆能谱采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物10思考：思考：为何需要知道中子能谱为何需要知道中子能谱（E E）？ 知道了中子能知道了中子能谱，就可以谱，就可以计算计算平均截面平均截面。因为。因为计算平均截面时计算平均截面时必须用中子能谱必须用中子能谱作为权重函数。作为权重函数。212121 () () () () () EEEEEEREEdEEdEEEdE 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物11在反应堆中，中子通过与介质原子核的碰撞，其在反应堆中，中子通过与介质原子核的碰撞，其空间空间位置位置和和能量能量在不断地变化。即中子的在不断地变化。即中子的扩散扩散和和慢化慢化是同时进行的。是同时进行的。现在我们首先研究中子慢化过程，暂时不考虑中现在我们首先研究中子慢化过程，暂时不考虑中子空间位置的变化，集中精力研究其能量的变化。子空间位置的变化，集中精力研究其能量的变化。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物12中子与原子核的弹性散射，是慢化中子的中子与原子核的弹性散射，是慢化中子的主要主要途途径。径。中子与原子核的弹性散射过程，满足动量守恒和中子与原子核的弹性散射过程，满足动量守恒和动能守恒。可以经典力学知识，解出碰撞后中子动能守恒。可以经典力学知识，解出碰撞后中子能量的变化。为方便起见，我们是在所谓能量的变化。为方便起见，我们是在所谓质心坐质心坐标系（标系（CMCM系）系）中研究问题。因为在质心系中，中中研究问题。因为在质心系中，中子的散射是子的散射是各向同性各向同性的的 。1. 1. 引言引言采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物13所谓所谓质心系质心系，是把坐标原点放在中子靶核系统，是把坐标原点放在中子靶核系统的质量中心，并认为质心是固定的。的质量中心，并认为质心是固定的。在慢化区，中子的运动速度比原子核的（热运动）在慢化区，中子的运动速度比原子核的（热运动）速度快得多，故可以认为散射前核的速度为零。速度快得多，故可以认为散射前核的速度为零。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物14 中子与靶核的弹性散射可看作两个弹性钢球的相互碰撞两个弹性钢球的相互碰撞，碰撞前后其动量和动能守恒动量和动能守恒。根据根据质心的动量等于系统内中子与靶核动量之和质心的动量等于系统内中子与靶核动量之和，求得质心的速度，求得质心的速度V VCMCM为为)()(1llCMMVmvMmV(2-1)式中：式中：m和和M分别表示中子和靶核的质量；分别表示中子和靶核的质量；vl，Vl分别为碰撞前中子和靶核分别为碰撞前中子和靶核在在L系内的速度；系内的速度； A=M/m，可近似看作靶核的质量数，可近似看作靶核的质量数2. 2. 弹性散射过程中能量的变化弹性散射过程中能量的变化采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物15 设在L系内碰撞前靶核是静止的，即Vl =0，则在C系内碰撞前中子与靶核的速度分别为：lCMClCMlCvAVVvAAVvv111(2-2)(2-3)若用v和V分别表示碰撞以后中子与靶核的速度，则根据碰撞前后动能与动量守恒碰撞前后动能与动量守恒，有0llCCCvMmmMvMmmMMVmvp可以看出在C系内，中子与靶核的总动量为零中子与靶核的总动量为零，即222 2 21212121ccccMVmvMVmv0ccMVmv(2-4)(2-5)(2-6)联立求解得11111vAVvAAvcc(2-7)(2-8) 与式(2-2)、(2-3)比较看出，C系中碰撞前后中子与靶核运动速度大小不变，系中碰撞前后中子与靶核运动速度大小不变，而运动方向发生来改变而运动方向发生来改变.采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物16 右图给出了碰撞后L系中的中子速度 vl 、C系中的中子速度 vc 及质心速度VCM的矢量关系。由余弦定律余弦定律可得：2222 ) 1(1cos2AAAvvEEcll系和C系内散射角的关系由(2-1)与(2-7)式的关系，可得：2222 ) 1() 1cos2(AAAvvcllcCMccCMlVvvVvcos22 22 211AA(2-9)(2-10)因而在L系中，碰撞前后中子能量之比为(2-11)若令(2-12)EEccos)1 ()1 (21则(2-11)式可写成(2-13)采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物17EEccos)1 ()1 (21EEminEE)1 (max. 0, 0minE(1) 0c时，EEEmax，此时碰撞前后中子没有能量损失此时碰撞前后中子没有能量损失；(2) oc180。minEE (2-14)因而一次碰撞中中子可能损失的最大能量为：因而一次碰撞中中子可能损失的最大能量为：(2-15)中子与靶核碰撞后不可能出现中子与靶核碰撞后不可能出现 E 10时可采用以下近似式时可采用以下近似式采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物34想一想u对于氢核，其平均勒增量应该是多少？对于氢核，其平均勒增量应该是多少？如何计算？如何计算？2( -1)1 1ln 1ln121 AAAA 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物352.1.4 平均散射角余弦平均散射角余弦AdAAAcccc32sin1cos21cos210200sincos21)(cos00cccccccddfcclldfdf)()(0 中子与核发生弹性散射后，其运动方向将发生改变。若散射角为，那么cos就叫作散射角余弦散射角余弦。由(2-19)式可以求出在C系内每次碰撞的平均散平均散射角余弦射角余弦为因为在因为在C系内散射是各向同性的系内散射是各向同性的。若用表示L系内的平均散射角余弦系内的平均散射角余弦，则lllldf)(coscos00(2-32)由于中子在L系内的散射角l与它在C系内的散射角c之间存在对应关系，因此有(2-33)利用(2-16)和(2-19)式，可得(2-34)?采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物36平均散射角余弦平均散射角余弦AdAAAcccc32sin1cos21cos21020l 尽管在尽管在C系内散射是各向同性的，在系内散射是各向同性的，在L系内散射是各向异性系内散射是各向异性的，并的，并且平均散射角余弦大于零，表明且平均散射角余弦大于零，表明L系内中子散射后沿它原来运动方系内中子散射后沿它原来运动方向运动的概率较大向运动的概率较大。l L系平均散射角余弦随靶核质量数减小而增大，故系平均散射角余弦随靶核质量数减小而增大，故靶核质量越小，靶核质量越小，散射各向异性越严重散射各向异性越严重。l 当当A 时，散射趋向于各向同性时，散射趋向于各向同性。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物372.1.5 慢化剂的选择慢化剂的选择l 从中子慢化的角度，慢化剂应为轻元素，具有大的平均对数大的平均对数能降能降 。l 同时，慢化剂应具有较大的散射截面较大的散射截面l 小的吸收截面小的吸收截面 通常把乘积 s 叫作慢化剂的慢化能力慢化能力。 s / a，叫作慢化比慢化比，它是表明慢化剂优劣的一个重要参数。好的慢化剂不但要具有较大的慢化能力，还要有较大的慢化比好的慢化剂不但要具有较大的慢化能力，还要有较大的慢化比采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物38从表中可以看出：从表中可以看出：l 水的慢化能力最大水的慢化能力最大轻水堆具有较小的堆芯体积，水吸收截面较大轻水堆具有较小的堆芯体积，水吸收截面较大水堆用富集铀水堆用富集铀l 重水具有良好的慢化性能，可用天然铀，但价格昂贵重水具有良好的慢化性能，可用天然铀，但价格昂贵 (CANDU)l 石墨慢化性能较好，但慢化能力较小石墨慢化性能较好，但慢化能力较小石墨堆体积较庞大石墨堆体积较庞大 (HTGR)另外，慢化剂的选择还应从其它角度考虑如，另外，慢化剂的选择还应从其它角度考虑如，辐照性能、价格辐照性能、价格等等采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物392.1.6 中子的平均寿命中子的平均寿命EdEvEtthEEss0)(Ev2dtEvdus)(EdEvEdts)(0112EEtthss慢化时间：慢化时间：在无限介质内，裂变中子由裂变能E0慢化到热能Eth所需要的平均时间。设中子速度为v，则在dt时间间隔内每个中子平均与原子核发生的碰撞数为n=vdt/s(E) 。由于每次碰撞的平均对数能降等于，因此，在dt时间内对数能降u的增量等于n ，即或(2-35)于是，由E0慢化到Eth所需的慢化时间慢化时间tS，等于(2-36)如果设s与能量无关或可用一个适当的平均值来代替，同时由于因此可得一个慢化时间慢化时间ts的估计值(2-37)采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物40vEvEEtaad)(1)()( 快中子慢化成热中子后，将在介质内扩散一段时间。定义无限介质内热中子在自产生至被俘获以前所经过的平均时间，称为扩散时间扩散时间/热中子平均寿热中子平均寿命命，用td表示。 如果a(E)为中子的平均吸收自由程，那么具有这种能量的热中子平均寿热中子平均寿命命为(2-38)对于吸收截面满足1/v律的介质，有00)(vvEaa，于是从(2-38)式可得001)(vEtad式中：a0是当v0=2200m/s时的热中子宏观吸收截面。上式表明对于对于1/v吸收介质热中子的平均寿命与中子能量无关吸收介质热中子的平均寿命与中子能量无关。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物41慢化时间：慢化时间：10-410-6; 扩散时间：扩散时间：10-2 10-4几种热中子反应堆慢化剂的慢化时间及扩散时间几种热中子反应堆慢化剂的慢化时间及扩散时间采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物42dsttl 在反应堆动力学计算中需要用到快中子自裂变产生到慢化成为热中子，直至最后被俘获的平均时间，称为中子的平均寿命中子的平均寿命，用 l 表示。显然(2-39)l 对于热中子反应堆，中子平均寿命主要由热中子的平均寿期，即扩散时间决定；l 对于压水堆，中子的平均寿期 l10-4s；l 对于快中子反应堆，中子的平均寿期 l10-7s；l 上面的计算基于无限介质，没有考虑泄露的影响；l 对于具有实际大小的反应堆系统，计算时应考虑泄露的影响，对中子平均寿命进行修正，所得寿命将比不计泄露时的短。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物43通过对散射动力学的研究通过对散射动力学的研究, 我们了解了中子我们了解了中子散射后能量的分布散射后能量的分布,为研究中子慢化能谱打为研究中子慢化能谱打下了基础下了基础.为了方便为了方便,还需要定义两个物理量还需要定义两个物理量: 碰撞密度碰撞密度 慢化密度慢化密度采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物44碰撞密度碰撞密度碰撞密度 F( r, E) F( r, E) 的定义：的定义： 碰撞密度碰撞密度 F( r, E)F( r, E)等于在等于在r r 位置处的单位体积位置处的单位体积中，能量中，能量E E附近的单位能量间隔内，单位时间发生附近的单位能量间隔内，单位时间发生的中子与核的相互作用次数。的中子与核的相互作用次数。 F( r, E)F( r, E)t t（r r，E E） （r r，E E） F( r, E)dEF( r, E)dEt t（r r，E E） （r r，E E）dEdE碰撞密度实际上就是碰撞密度实际上就是总反应率密度总反应率密度。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物45慢化密度 慢化密度 q( r, E) 的定义： 慢化密度慢化密度 q( r, E) q( r, E) 等于在等于在 r r 位置处位置处的单位体积中，单位时间内能量降低到的单位体积中，单位时间内能量降低到E E以以下的中子数。下的中子数。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物46中子慢化能谱前面讲的一切，无非是为了推导出散射中子的能量均布定律。下面，利用碰撞密度的定义和能量均布定律，就可以写出中子慢化方程。解中子慢化方程，就可以得到中子慢化能谱。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物47物理模型u对如下四种慢化模型写出中子慢化方程，解方程即可得到中子慢化能谱。 中子在氢介质中的慢化中子在氢介质中的慢化 中子在氢和无限质量吸收剂中的慢化中子在氢和无限质量吸收剂中的慢化 中子在中子在A1A1的介质中的慢化的介质中的慢化 中子在弱吸收介质中的慢化中子在弱吸收介质中的慢化采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物48中子在氢中的慢化 轻水堆是当今的主流堆型，其中的慢化剂是普通水中所含轻水堆是当今的主流堆型，其中的慢化剂是普通水中所含的氢的氢 中子在氢中的慢化中子在氢中的慢化是对反应堆内中子慢化过程的一种合理是对反应堆内中子慢化过程的一种合理的模拟。的模拟。 几点假设：几点假设：无限大均匀氢介质无限大均匀氢介质氢介质中均布着每秒每立方厘米放出氢介质中均布着每秒每立方厘米放出S S个能量为个能量为E0E0的中的中子的中子源子的中子源忽略慢化过程中氢对中子的吸收忽略慢化过程中氢对中子的吸收采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物49对于氢2101() dE (1)AAdEdEf EEEE采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物50单能源的处理u 强度为S能量为E0的单能源是S(E0)u 根据能量均布律，单能中子经首次碰撞，就变成一个均匀分布源了。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物51采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物52慢化方程：EE+dE 内的中子平衡方程 0000 ( ) () () ( ) 1 EEEEdEdEFE dESF EdEEESF E dEFEEE（ ）采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物53微分之，得到0000000() ( ) 1 ( )( ) ( ) 212 () C F(E ) =E CSEESF E dEFEEEdF EF EdEECF EEEESF EE（ ）对上式两边求导得到：解得（ ）令（）、（ ）中 得 故采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物54最后得到 ( )( )( ) ( ) ( )1 ( )tsssSFEEF EEEEESSEEEEEE因为 （ ）（ ）故 （ ）即 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物55慢化譜是费米譜1 E1 E譜，也称为费米譜。单能中子在无限大氢介质中慢化，形成的中子慢化能谱是譜。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物5600000000 ( ) () () ( ) ()( )() =E S ( ) E ( EEEEEEEEdEdEFE dESF EdEEESF E dEFEEEEESF E dEq ESFq EE dEEEEEE F EES求慢化密 度 )S q(E)为常数为常数,说明在单位体积中说明在单位体积中,每秒钟慢化到任何能量以下的中子数目都相同每秒钟慢化到任何能量以下的中子数目都相同. 我们假设没有中子在慢化过程中被吸收我们假设没有中子在慢化过程中被吸收,故故 q(E)=S 是十分显然的是十分显然的.采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物57氢和无限质量吸收剂的慢化模型 用前面的中子在纯氢介质中的慢化模型，模拟轻水堆中慢化过程尚有不足之处，即没有考虑慢化过程中 重核（铀238等）对中子的吸收。此模型弥补了这一点。 模型假设： 氢和无限质量吸收剂均匀混合成无限大介质； 介质中有均布单能中子源； 忽略氢对中子的吸收，忽略吸收剂对中子的慢化。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物5800()()( )()()EsEsaEdEEEdEF E dESF E dEEE氢和无限质量吸收剂的慢化模型采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物59慢化方程0000( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )EssaEEssaEEdEdEF E dESF E dEEEEEESdEF EF EEEEE采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物60解 法l 对慢化方程进行微分将其转化为纯微分方程（同前法），即可求出其解：碰撞密度碰撞密度0()( ) exp()()EasaEESdEF EEEEE0()( ) exp()()EasaEEdEq ESEEE0()1( ) exp( )( )()()EaassaEESdEEEEEEEE慢化密度慢化密度中子通量中子通量(能谱能谱)采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物61分析 慢化密度中的指数项实际上就是慢化密度中的指数项实际上就是逃脱吸收逃脱吸收概率。概率。 离开共振峰较远处，仍然为离开共振峰较远处，仍然为/E/E谱。谱。 当吸收剂的吸收截面很小时，其解变得与当吸收剂的吸收截面很小时，其解变得与纯氢介质的情况相同。纯氢介质的情况相同。 经过共振能区时的通量下沉（能量自屏效经过共振能区时的通量下沉（能量自屏效应）应）采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物62采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物63u 中子在中子在A1A1的介质中的慢化的介质中的慢化u 中子在弱吸收介质中的慢化中子在弱吸收介质中的慢化( )( ) ( )tq EEEE0()( ) ( ) exp ()()EasaEEdEq ES p ESEEE采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物64中子慢化中子慢化 一条规律一条规律: : 弹性散射后能量均布弹性散射后能量均布 一个方程一个方程: :中子慢化方程中子慢化方程 ( (在一个窄能在一个窄能 区区上上, ,碰入的中子数等于碰出的中子数碰入的中子数等于碰出的中子数) ) 一个公式一个公式 : : 费米谱的表达式费米谱的表达式 ( (无吸收或弱吸无吸收或弱吸收介质中慢化区慢化能谱的近似表达式收介质中慢化区慢化能谱的近似表达式) )对于在慢化能区存在强吸收（共振吸收）的介质，对于在慢化能区存在强吸收（共振吸收）的介质，慢化能谱如何呢？慢化能谱如何呢？采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物652.3 均匀介质中的共振吸收均匀介质中的共振吸收 当中子能量慢化到当中子能量慢化到0.1 MeV以下后，反应以下后，反应堆内许多重要材料截面表现出强烈的共振峰堆内许多重要材料截面表现出强烈的共振峰现象，且具有很大的峰值。在热中子反应堆现象，且具有很大的峰值。在热中子反应堆中，共振吸收对链式裂变反应过程具有很重中，共振吸收对链式裂变反应过程具有很重要的影响。要的影响。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物66 0()1( )exp ( )( )()()EasaasEESdEEEEEEEE 共振吸收共振吸收对于存在吸收的慢化过程（对于存在吸收的慢化过程（例如中子在氢和无限质例如中子在氢和无限质量吸收剂中慢化量吸收剂中慢化），我们写了慢化方程，解出了结），我们写了慢化方程，解出了结果，也得到了逃脱吸收概率的数学表达式（一个指果，也得到了逃脱吸收概率的数学表达式（一个指数函数）。尽管由于吸收截面表达式可能很复杂数函数）。尽管由于吸收截面表达式可能很复杂(B-W公式公式)，积分不大好做，但总算是可以做。，积分不大好做，但总算是可以做。中子在氢和无限质量吸收剂中慢化能谱中子在氢和无限质量吸收剂中慢化能谱采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物67ButBut 在共振峰附近，吸收截面变化很激烈，通在共振峰附近，吸收截面变化很激烈，通量严重偏离费米谱。对于非氢慢化剂，连量严重偏离费米谱。对于非氢慢化剂，连这样的表达式子也得不到。这样的表达式子也得不到。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物68采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物69理想的简单情况理想的简单情况：由慢化剂和吸收剂组成的均匀无限介质，在整个介质内存在着均匀分布的中子源，每秒每单位体积放出S0个能量为E0的快中子。l 假设：中子通量密度与空间位置无关，只是能量的函数l 宽间距假设宽间距假设：这些强共振峰不但可分辨而且峰与峰之间的间距足够大，以至于前一个共振峰所引起的中子通量密度的起伏在到达下一个共振峰前已消失，趋于渐近分布 ( 铀铀238等材料的前几个最重要的共振吸收峰是互相离得等材料的前几个最重要的共振吸收峰是互相离得较远的，宽间距的较远的，宽间距的)l 在该情况下，到达共振峰i前的慢化中子通量密度可以用费米谱分布费米谱分布渐近表达式表示。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物70iEaAdEEENR)()(单位体积每秒dEEEIiEai)()(EESEs1)(0 对的中子通量密度分别进行归一化S0=s，则到达i共振峰前的中子通量密度分布便可简化为(2-55)因而共振峰在这种情况下的吸收反应率吸收反应率为(2-56)式中：NA为单位体积内共振吸收剂的核子数，Ei为共振峰的宽度。把量(2-57)称作共振峰共振峰i的的有效共振积分有效共振积分。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物71有效共振积分有效共振积分Effective resonance integralEffective resonance integral定义：我们把定义：我们把 ,*( ) ( )jjAEIEE dE称为第称为第j个共振峰的有效共振积分。个共振峰的有效共振积分。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物72有效共振积分有效共振积分有效共振积分反映了共振峰对中子的吸收能力。有效共振积分反映了共振峰对中子的吸收能力。有效共振积分的值只与该共振峰的性质有关，与有效共振积分的值只与该共振峰的性质有关，与吸收剂的密度无关。吸收剂的密度无关。,*( ) ( )jjAEIEE dEjIAjNR 吸收反应率采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物73isAiINpexpsiAiINp1 相应的中子慢化通过共振峰 i 的被吸收概率为NAIi/s，因而相应的逃脱共振俘获概率逃脱共振俘获概率pi便等于(2-58) 对等式两边取对数，并利用x很小时，ln(1-x)=-x的近似关系式，便得到(2-59)逃脱共振俘获概率逃脱共振俘获概率000( )SEEp ES从慢化到 过程被共振吸收的中子数采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物74dEEEIIEaii)()(ININppsAiiisAiexpexp 裂变中子在从初始能量E0慢化至热中子能量Eth的慢化过程中要通过整个共振区的所有共振峰，因此热中子反应堆的逃脱共逃脱共振俘获概率振俘获概率p应等于所有共振峰的应等于所有共振峰的pi的乘积的乘积(2-60)式中：I 为整个共振区的有效共振积分为整个共振区的有效共振积分(2-61)总的逃脱共振俘获概率总的逃脱共振俘获概率采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物75有效共振积分的用途有效共振积分的用途 计算逃脱共振几率计算逃脱共振几率 计算包含共振峰的能区的平均吸收截面计算包含共振峰的能区的平均吸收截面111,*,* ( )( )( )ggggggEAAAjEj ga gEEEENE dENIE dEE dE采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物763471. 0238104069. 2 AsAsNNI 经验公式经验公式4500033. 8263. 0232 AsAsNNI有效共振积分的近似计算有效共振积分的近似计算 近似计算近似计算( (选读选读) )窄共振窄共振(NR)(NR)近似近似窄共振无限质量窄共振无限质量(NRIM)(NRIM)近似近似中间近似中间近似采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物77能量自屏效应能量自屏效应采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物782.4 热中子能谱和热中子平均截面热中子能谱和热中子平均截面2/ 1/2/3)(2)(EekTENkTE2.4.1 热中子能谱热中子能谱l 热中子热中子是指与它们所在介质的原子(或分子)处于热平衡状态中的中子。l 反应堆物理分析中，通常把某个分界能量Ec以下的中子称为热中子，Ec称为分界能分界能或缝合能缝合能。压水堆：通常取Ec=0.625eVl 若介质时无限大、无源的，其不吸收中子，那么与介质原子处于热平衡状态的热中子，它们的能量分布服从麦克斯韦能量分布服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布,即 式中：N(E)为单位体积单位能量间隔内的热中子数；k为玻尔兹曼常数；T为介质温度，单位为K。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物792/ 1/2/3)(2)(EekTENkTET=300K时，时，麦克斯韦麦克斯韦-玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物80 实际上，热中子能谱的分布形式和介质原子核的麦克斯韦热中子能谱的分布形式和介质原子核的麦克斯韦谱的分布形式并不相同谱的分布形式并不相同，两个原因：两个原因：(1) 在反应堆中，所有的热中子都是从较高的能量慢化而来，然后逐步与介质达到热平衡状态的，这样，在能量较高区域能量较高区域的中子数目相对较多的中子数目相对较多；(2) 由于介质或多或少要吸收中子，因此，必然有一部份中子尚未来得及同介质原子达到热平衡就已被吸收，其结果又造成能量较低部分的中子份额减少，能量较高部分的中子份额能量较高部分的中子份额相对增大相对增大。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物81 由上述原因的共同作用，在能量较高处中子数相对增大，而在能量较低处中子数相对减少，使得实际热中子能谱朝能量高的方向偏移，即热中子的平均能量和最热中子的平均能量和最概然能量都要比介质原子核的平均能量和最概然能量高概然能量都要比介质原子核的平均能量和最概然能量高，这一现象为热中子能谱的“硬化硬化”。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物82)(1 (SMaMnkTCTT 热中子能谱精确计算精确计算非常复杂，因为在处理能量低于1eV的中子与慢化剂核的散射时，已不能把慢化剂核看作是静止的、自由的，这时必须考虑慢化剂原子核热运动和化学键的影响，以及中子与散射波之间的干涉效应等。 近似计算时，可认为热中子能谱具有麦克斯韦谱的分布形式近似计算时，可认为热中子能谱具有麦克斯韦谱的分布